Mitokondrioiden toimintahäiriön vaikutus ihmisen luusolujen aineenvaihduntaan ja uusiutumiseen
Solu- ja hiirtutkimukset viittaavat siihen, että mitokondrioiden toimintahäiriöt voivat aiheuttaa luun rakenteen muuttumisen.
Hypoteesi: Mitokondrioiden energiantuotannon väheneminen vaikuttaa negatiivisesti luusolujen kehitykseen ja toimintaan.
Verrattaessa ihmisiä mitokondrion DNA-variantti, m.3243A>G, patogeeniset variantit POLG- tai TWNK-geeneissä terveisiin kontrolleihin, tavoitteena on arvioida mitokondrioiden toimintahäiriön vaikutusta: 1: luusolujen kehitykseen ja -aktiivisuuteen luuytimen varressa. soluja ja verta.
2: luusolujen aineenvaihdunta, mukaan lukien glukoosin kulutus. 3: luun rakenne arvioitu elektronimikroskopialla ja luubiopsioiden μCT-skannauksilla.
Tutkimuksen yleiskatsaus
Tila
Interventio / Hoito
Yksityiskohtainen kuvaus
Ehjä mitokondrioiden toiminta, mukaan lukien riittävät energiavarat, on elintärkeää metabolisesti aktiivisille kudoksille eli luustolihaksille, sydämelle ja aivoille. Ihmisen luuranko edustaa lisäksi erittäin metabolisesti aktiivista kudosta; kuitenkin mitokondrioiden merkitystä ihmisen luuston luun terveydelle voidaan tutkia edelleen.
Luun uudelleenmuotoilu muodostaa kytketyn ja jatkuvan regeneratiivisen prosessin luun hajoamisessa luuta resorboivien solujen osteoklastien (OC) toimesta, mitä seuraa luumatriisin muodostuminen luun muodostavien osteoblastien (OB) toimesta. Kvantitatiivinen epätasapaino resorption ja muodostumisen välillä johtaa luuston häiriöihin, joihin liittyy alhainen luumassa, mukaan lukien osteoporoosi, ja sen lisääntynyt hauraiden murtumien riski.
Mitokondriot tuottavat soluenergiaa adenosiinitrifosfaattia (ATP) oksidatiivisen fosforylaatioprosessin (OXPHOS) kautta hengitysketjussa (RC) ja tuottavat toissijaisesti haitallisia sivutuotteita vapaita radikaaleja eli reaktiivisia happilajeja (ROS). Erityisesti mitokondrioissa on oma DNA (m.DNA), ja RC-alayksiköitä koodaavat vastaavasti m.DNA- ja ydin-DNA (n.DNA) -geenit. Ikääntyessä haitalliset somaattiset m.DNA-mutaatiot kerääntyvät luustolihakseen ja sydämeen, ja somaattiset m.DNA-mutaatiot sekä periytyneet m.DNA- tai n.DNA-mutaatiot voivat johtaa mitokondrioiden toimintahäiriöihin, joihin liittyy heikentynyt ATP-tuotanto ja ROS:n kertyminen. m.DNA-mutaatiot voivat heikentää aivojen, luuston ja sydänlihaksen toimintaa, mutta vaikutuksia ihmisen luusolujen aineenvaihduntaan ja uudelleenmuodostukseen ei tunneta. Hiljattain tehty tutkimus nuorista yksilöistä osoittaa, että mitokondriotaudit aiheuttavat riskin luun haurausmurtumille.
Prekliiniset tutkimukset viittaavat siihen, että ATP ja ROS säätelevät luun aineenvaihduntaa. m.DNA:n määrä ja mitokondrioiden aktiivisuus lisääntyvät tukemaan erilaistumista ihmisen luuston (mesenkymaalisista) kantasoluista (hMSC) kypsiksi luuta muodostaviksi OB:iksi. Mitokondrioiden aktiivisuuden estäminen tai ROS-tasojen nousu tukahduttaa OB:n erilaistumisen. Samoin OC:t ovat runsaasti mitokondrioita. Ihmisen OC-viljelmät osoittavat, että OC:n erilaistumiseen tarvittava energianlähde perustuu OXPHOS:iin, kun taas OC-resorptioaktiivisuus riippuu glykolyysistä.
Lisäksi uudet todisteet viittaavat siihen, että metabolinen plastisuus eli glykolyysi-, OXPHOS- ja pyruvaattitasojen säätely myötävaikuttaa OB- ja OC-erilaistumisen säätelyyn.
OB:iden erittämän ydintekijän kappa-beeta-ligandin (RANKL) reseptoriaktivaattori aktivoi OC-resorption. Hiirillä luuytimen OC-progenitorien RANKL-stimulaatio lisää solunsisäisiä ROS-tasoja, mikä stimuloi OC:n erilaistumista ja luun resorptiota in vitro. Lisäksi ROS estää siivettömän tyypin (Wnt) signalointireittiä heikentäen osteoblastogeneesiä ja vähentäen luun muodostumista.
Lisäksi hiiret, joilla on mutaatioita m.DNA-polymeraasin POLG:n (PolgA-/-) n.DNA:n koodaamassa proof-lukudomeenissa, keräävät m.DNA-mutaatioita, ja niillä on ennenaikainen ikääntymisen fenotyyppi, mukaan lukien alhainen luumassa. Lisäksi n.DNA:n koodaaman mitokondriaalisen transkriptiotekijän (TFAM) puute aiheuttaa ATP:n ehtymistä, ja hiirillä, joilla on TFAM-puutteellinen OC, on lisääntynyt OC-aktiivisuus ja lisääntynyt luun resorptio. Päinvastoin NADH:n (nikotiiniamidi-adeniinidinukleotidin) ubikinonioksidoreduktaasin Fe-S-proteiinin 4 (NDUFS4) globaali häviäminen RC-kompleksissa 1 heikentää luun resorptiota, ja (ndufs4-/-) hiirillä on lisääntynyt luun mineraalitiheys (BMD) ja ilmeinen osteopetroosin luun fenotyyppi.
Tavoitteena on tutkia luusolujen fenotyyppiä potilailla, joilla on harvinainen mitokondriaalinen sairaus. MT-TL1:n kantajat m.3243A>G (MIM: 590050). Geeni koodaa transkriptiotekijää tRNALeu (UUA/UUG) ja m.3243A>G heikentää RC-kompleksin kokoaminen sekundaarisen heikentyneen ATP-tuotannon kanssa. Fenotyyppi liittyy osittain m.3243A>G-mutaatiotaakkaan, eli heteroplasmian tasoon (prosenttiosuus m.3243A>G/villityypin m.DNA:sta). Tutkimusryhmässä on myös mutaatioiden kantajia tuman koodaamassa POLG:ssa (MIM: 174763) ja TWNK:ssa (MIM: 606075).
Hypoteesi: Mitokondrioiden heikentynyt toiminta vaikuttaa ihmisen luusolujen erilaistumiseen, aineenvaihduntaan ja aktiivisuuteen, mikä johtaa luun muodostumisen heikkenemiseen ja luun haurauteen.
Tavoite: Selvittää, johtavatko perinnöllisten mitokondriomutaatioiden eli mitokondrioiden toimintahäiriön, ATP:n ehtymisen ja sekundaarisen ROS:n lisääntymisen kantajat muutoksiin:
- In vitro OB:n erilaistumisnopeus, OB-aktiivisuus ja luunmuodostus.
- In vitro OC:n erilaistuminen, OC-aktiivisuus ja suurempi yleinen luun resorptio.
- In vivo -muutokset kudostason dynamiikassa luun muodostumisen ja resorption dynamiikassa suoliluun harjaluun biopsioissa.
Suunnittelu, osallistujat ja menetelmät: Poikkileikkaustapaus-verrokkitutkimus, joka sisältää koehenkilöt (>18 vuotta), joilla on jokin seuraavista mutaatioista:
- MT-TL1 m.3243A>G
- POLG-mutaatio
- TWNK
N = 10 tapausta, joissa jokainen patogeeninen geneettinen variantti ja sama määrä kontrolleja (n = 30) täsmättiin sukupuolen, iän ja BMI:n perusteella.
Opintotyyppi
Ilmoittautuminen (Odotettu)
Vaihe
- Ei sovellettavissa
Yhteystiedot ja paikat
Opiskeluyhteys
- Nimi: Anja L Frederiksen, MD
- Puhelinnumero: +4597664999
- Sähköposti: Anja.Lisbeth.Frederiksen@rn.dk
Opiskelupaikat
-
-
-
Aalborg, Tanska
- Rekrytointi
- Dept. of Clinical Genetics
-
Ottaa yhteyttä:
- Anja L Frederiksen, MD
- Puhelinnumero: +4597664999
- Sähköposti: Anja.Lisbeth.Frederiksen@rn.dk
-
-
Osallistumiskriteerit
Kelpoisuusvaatimukset
Opintokelpoiset iät
Hyväksyy terveitä vapaaehtoisia
Sukupuolet, jotka voivat opiskella
Kuvaus
Sisällyttämiskriteerit – tapaukset:
- Geneettinen diagnoosi: MT-TL1 m.3243A>G tai POLG-variantti, het tai TWNK-variantti, het, > 18 vuotta
- Allekirjoitettu tietoinen suostumus
Sisällyttämiskriteerit – säätimet:
- Terveet koehenkilöt vastaavat ikää ja sukupuolta > 18 vuotta
- Allekirjoitettu tietoinen suostumus
Poissulkemiskriteerit:
- Munuaiset (kreatiniini > 90 µmol/l)
- Maksan toimintahäiriö (AST > 3 kertaa yläraja)
- Luun aineenvaihduntaan vaikuttava lääkehoito (oraalinen kortikosteroidi alle 12 viikkoa, osteoporoosihoito, sukupuolisteroidit, kouristuslääkkeet)
- Raskaus
- Alkoholin liiallinen käyttö
- Hoito antikoagulantteilla
- Aiempi koagulopatia
- Allergia lidokaiinille, morfiinille tai diatsepaamille.
Opintosuunnitelma
Miten tutkimus on suunniteltu?
Suunnittelun yksityiskohdat
- Ensisijainen käyttötarkoitus: Perustiede
- Jako: Ei käytössä
- Inventiomalli: Yksittäinen ryhmätehtävä
- Naamiointi: Ei mitään (avoin tarra)
Aseet ja interventiot
Osallistujaryhmä / Arm |
Interventio / Hoito |
|---|---|
|
Muut: Kotelot ja säätimet
Kliininen arviointi, verinäytteet, kaksoisenergiaröntgenabsorptiometria (DXA) ja luuytimen arviointi sekä tetrasykliinileimattu luubiopsia
|
Verinäytteiden, luuytimen ja luubiopsian arviointi
|
Mitä tutkimuksessa mitataan?
Ensisijaiset tulostoimenpiteet
Tulosmittaus |
Toimenpiteen kuvaus |
Aikaikkuna |
|---|---|---|
|
Solunulkoinen happamoitumisnopeus (ECAR) (mpH/min)
Aikaikkuna: Jopa 12 viikkoa
|
ECAR:n mittaus ihmisen luuytimen luuytimen (mesenkymaalisissa) kantasoluissa (hBM-MSC), osteoblasteissa (OB) ja osteoklasteissa (OC)
|
Jopa 12 viikkoa
|
|
Hapenkulutusnopeus (OCR) (mpMol/min)
Aikaikkuna: Jopa 12 viikkoa
|
OCR:n mittaus hBM-MSC:issä, OB:issa ja OC:issa
|
Jopa 12 viikkoa
|
|
Kasvunopeus (solujen määrä)
Aikaikkuna: Jopa 12 viikkoa
|
OB:iden ja OC:iden kasvuvauhti
|
Jopa 12 viikkoa
|
Toissijaiset tulostoimenpiteet
Tulosmittaus |
Toimenpiteen kuvaus |
Aikaikkuna |
|---|---|---|
|
Luun kasvunopeus (µm/päivä)
Aikaikkuna: Jopa 4 viikkoa
|
Luun kasvun histomofometriset mittaukset tetrasykliinileimatussa luubiopsiassa
|
Jopa 4 viikkoa
|
|
Histomorfometrinen
Aikaikkuna: Jopa 4 viikkoa
|
Luubiopsioiden histomofometriset tutkimukset
|
Jopa 4 viikkoa
|
Yhteistyökumppanit ja tutkijat
Sponsori
Tutkijat
- Päätutkija: Anja L Frederiksen, MD, Aalborg University Hospital
Julkaisuja ja hyödyllisiä linkkejä
Yleiset julkaisut
- Gorman GS, Chinnery PF, DiMauro S, Hirano M, Koga Y, McFarland R, Suomalainen A, Thorburn DR, Zeviani M, Turnbull DM. Mitochondrial diseases. Nat Rev Dis Primers. 2016 Oct 20;2:16080. doi: 10.1038/nrdp.2016.80.
- Seeman E, Delmas PD. Bone quality--the material and structural basis of bone strength and fragility. N Engl J Med. 2006 May 25;354(21):2250-61. doi: 10.1056/NEJMra053077. No abstract available.
- Bartell SM, Kim HN, Ambrogini E, Han L, Iyer S, Serra Ucer S, Rabinovitch P, Jilka RL, Weinstein RS, Zhao H, O'Brien CA, Manolagas SC, Almeida M. FoxO proteins restrain osteoclastogenesis and bone resorption by attenuating H2O2 accumulation. Nat Commun. 2014 Apr 30;5:3773. doi: 10.1038/ncomms4773.
- Andreasen CM, Ding M, Overgaard S, Bollen P, Andersen TL. A reversal phase arrest uncoupling the bone formation and resorption contributes to the bone loss in glucocorticoid treated ovariectomised aged sheep. Bone. 2015 Jun;75:32-9. doi: 10.1016/j.bone.2015.02.014. Epub 2015 Feb 14.
- Kim SJ, Mehta HH, Wan J, Kuehnemann C, Chen J, Hu JF, Hoffman AR, Cohen P. Mitochondrial peptides modulate mitochondrial function during cellular senescence. Aging (Albany NY). 2018 Jun 10;10(6):1239-1256. doi: 10.18632/aging.101463.
- Sinha K, Das J, Pal PB, Sil PC. Oxidative stress: the mitochondria-dependent and mitochondria-independent pathways of apoptosis. Arch Toxicol. 2013 Jul;87(7):1157-80. doi: 10.1007/s00204-013-1034-4. Epub 2013 Mar 30.
- Meissner C, Bruse P, Mohamed SA, Schulz A, Warnk H, Storm T, Oehmichen M. The 4977 bp deletion of mitochondrial DNA in human skeletal muscle, heart and different areas of the brain: a useful biomarker or more? Exp Gerontol. 2008 Jul;43(7):645-652. doi: 10.1016/j.exger.2008.03.004. Epub 2008 Mar 20.
- Lee HC, Wei YH. Oxidative stress, mitochondrial DNA mutation, and apoptosis in aging. Exp Biol Med (Maywood). 2007 May;232(5):592-606.
- Hayashi G, Cortopassi G. Oxidative stress in inherited mitochondrial diseases. Free Radic Biol Med. 2015 Nov;88(Pt A):10-7. doi: 10.1016/j.freeradbiomed.2015.05.039. Epub 2015 Jun 12.
- Gandhi SS, Muraresku C, McCormick EM, Falk MJ, McCormack SE. Risk factors for poor bone health in primary mitochondrial disease. J Inherit Metab Dis. 2017 Sep;40(5):673-683. doi: 10.1007/s10545-017-0046-2. Epub 2017 Apr 27.
- Chen CT, Shih YR, Kuo TK, Lee OK, Wei YH. Coordinated changes of mitochondrial biogenesis and antioxidant enzymes during osteogenic differentiation of human mesenchymal stem cells. Stem Cells. 2008 Apr;26(4):960-8. doi: 10.1634/stemcells.2007-0509. Epub 2008 Jan 24.
- Gao J, Feng Z, Wang X, Zeng M, Liu J, Han S, Xu J, Chen L, Cao K, Long J, Li Z, Shen W, Liu J. SIRT3/SOD2 maintains osteoblast differentiation and bone formation by regulating mitochondrial stress. Cell Death Differ. 2018 Feb;25(2):229-240. doi: 10.1038/cdd.2017.144. Epub 2017 Sep 15.
- Brown D, Breton S. Mitochondria-rich, proton-secreting epithelial cells. J Exp Biol. 1996 Nov;199(Pt 11):2345-58. doi: 10.1242/jeb.199.11.2345.
- Lemma S, Sboarina M, Porporato PE, Zini N, Sonveaux P, Di Pompo G, Baldini N, Avnet S. Energy metabolism in osteoclast formation and activity. Int J Biochem Cell Biol. 2016 Oct;79:168-180. doi: 10.1016/j.biocel.2016.08.034. Epub 2016 Aug 30.
- Arnett TR, Orriss IR. Metabolic properties of the osteoclast. Bone. 2018 Oct;115:25-30. doi: 10.1016/j.bone.2017.12.021. Epub 2017 Dec 21.
- Lee NK, Choi YG, Baik JY, Han SY, Jeong DW, Bae YS, Kim N, Lee SY. A crucial role for reactive oxygen species in RANKL-induced osteoclast differentiation. Blood. 2005 Aug 1;106(3):852-9. doi: 10.1182/blood-2004-09-3662. Epub 2005 Apr 7.
- Garrett IR, Boyce BF, Oreffo RO, Bonewald L, Poser J, Mundy GR. Oxygen-derived free radicals stimulate osteoclastic bone resorption in rodent bone in vitro and in vivo. J Clin Invest. 1990 Mar;85(3):632-9. doi: 10.1172/JCI114485.
- Almeida M, Han L, Martin-Millan M, O'Brien CA, Manolagas SC. Oxidative stress antagonizes Wnt signaling in osteoblast precursors by diverting beta-catenin from T cell factor- to forkhead box O-mediated transcription. J Biol Chem. 2007 Sep 14;282(37):27298-27305. doi: 10.1074/jbc.M702811200. Epub 2007 Jul 10.
- Trifunovic A, Wredenberg A, Falkenberg M, Spelbrink JN, Rovio AT, Bruder CE, Bohlooly-Y M, Gidlof S, Oldfors A, Wibom R, Tornell J, Jacobs HT, Larsson NG. Premature ageing in mice expressing defective mitochondrial DNA polymerase. Nature. 2004 May 27;429(6990):417-23. doi: 10.1038/nature02517.
- Miyazaki T, Iwasawa M, Nakashima T, Mori S, Shigemoto K, Nakamura H, Katagiri H, Takayanagi H, Tanaka S. Intracellular and extracellular ATP coordinately regulate the inverse correlation between osteoclast survival and bone resorption. J Biol Chem. 2012 Nov 2;287(45):37808-23. doi: 10.1074/jbc.M112.385369. Epub 2012 Sep 17.
- Jin Z, Wei W, Yang M, Du Y, Wan Y. Mitochondrial complex I activity suppresses inflammation and enhances bone resorption by shifting macrophage-osteoclast polarization. Cell Metab. 2014 Sep 2;20(3):483-98. doi: 10.1016/j.cmet.2014.07.011. Epub 2014 Aug 14.
- Varanasi SS, Francis RM, Berger CE, Papiha SS, Datta HK. Mitochondrial DNA deletion associated oxidative stress and severe male osteoporosis. Osteoporos Int. 1999;10(2):143-9. doi: 10.1007/s001980050209.
- Kato H, Han X, Yamaza H, Masuda K, Hirofuji Y, Sato H, Pham TTM, Taguchi T, Nonaka K. Direct effects of mitochondrial dysfunction on poor bone health in Leigh syndrome. Biochem Biophys Res Commun. 2017 Nov 4;493(1):207-212. doi: 10.1016/j.bbrc.2017.09.045. Epub 2017 Sep 9.
- Langdahl JH, Frederiksen AL, Hansen SJ, Andersen PH, Yderstraede KB, Duno M, Vissing J, Frost M. Mitochondrial Point Mutation m.3243A>G Associates With Lower Bone Mineral Density, Thinner Cortices, and Reduced Bone Strength: A Case-Control Study. J Bone Miner Res. 2017 Oct;32(10):2041-2048. doi: 10.1002/jbmr.3193. Epub 2017 Jul 18.
- van den Ouweland JM, Lemkes HH, Ruitenbeek W, Sandkuijl LA, de Vijlder MF, Struyvenberg PA, van de Kamp JJ, Maassen JA. Mutation in mitochondrial tRNA(Leu)(UUR) gene in a large pedigree with maternally transmitted type II diabetes mellitus and deafness. Nat Genet. 1992 Aug;1(5):368-71. doi: 10.1038/ng0892-368.
- Sasarman F, Antonicka H, Shoubridge EA. The A3243G tRNALeu(UUR) MELAS mutation causes amino acid misincorporation and a combined respiratory chain assembly defect partially suppressed by overexpression of EFTu and EFG2. Hum Mol Genet. 2008 Dec 1;17(23):3697-707. doi: 10.1093/hmg/ddn265. Epub 2008 Aug 27.
- Frederiksen AL, Andersen PH, Kyvik KO, Jeppesen TD, Vissing J, Schwartz M. Tissue specific distribution of the 3243A->G mtDNA mutation. J Med Genet. 2006 Aug;43(8):671-7. doi: 10.1136/jmg.2005.039339. Epub 2006 Feb 20.
- Langdahl JH, Larsen M, Frost M, Andersen PH, Yderstraede KB, Vissing J, Duno M, Thomassen M, Frederiksen AL. Lecocytes mutation load declines with age in carriers of the m.3243A>G mutation: A 10-year Prospective Cohort. Clin Genet. 2018 Apr;93(4):925-928. doi: 10.1111/cge.13201.
- Jafari A, Qanie D, Andersen TL, Zhang Y, Chen L, Postert B, Parsons S, Ditzel N, Khosla S, Johansen HT, Kjaersgaard-Andersen P, Delaisse JM, Abdallah BM, Hesselson D, Solberg R, Kassem M. Legumain Regulates Differentiation Fate of Human Bone Marrow Stromal Cells and Is Altered in Postmenopausal Osteoporosis. Stem Cell Reports. 2017 Feb 14;8(2):373-386. doi: 10.1016/j.stemcr.2017.01.003. Epub 2017 Feb 2.
- Abdallah BM, Ditzel N, Kassem M. Assessment of bone formation capacity using in vivo transplantation assays: procedure and tissue analysis. Methods Mol Biol. 2008;455:89-100. doi: 10.1007/978-1-59745-104-8_6.
- Soe K, Delaisse JM. Glucocorticoids maintain human osteoclasts in the active mode of their resorption cycle. J Bone Miner Res. 2010 Oct;25(10):2184-92. doi: 10.1002/jbmr.113.
Opintojen ennätyspäivät
Opi tärkeimmät päivämäärät
Opiskelun aloitus (Todellinen)
Ensisijainen valmistuminen (Odotettu)
Opintojen valmistuminen (Odotettu)
Opintoihin ilmoittautumispäivät
Ensimmäinen lähetetty
Ensimmäinen toimitettu, joka täytti QC-kriteerit
Ensimmäinen Lähetetty (Todellinen)
Tutkimustietojen päivitykset
Viimeisin päivitys julkaistu (Todellinen)
Viimeisin lähetetty päivitys, joka täytti QC-kriteerit
Viimeksi vahvistettu
Lisää tietoa
Tähän tutkimukseen liittyvät termit
Avainsanat
Muita asiaankuuluvia MeSH-ehtoja
Muut tutkimustunnusnumerot
- S-20180170
Yksittäisten osallistujien tietojen suunnitelma (IPD)
Aiotko jakaa yksittäisten osallistujien tietoja (IPD)?
Lääke- ja laitetiedot, tutkimusasiakirjat
Tutkii yhdysvaltalaista FDA sääntelemää lääkevalmistetta
Tutkii yhdysvaltalaista FDA sääntelemää laitetuotetta
Nämä tiedot haettiin suoraan verkkosivustolta clinicaltrials.gov ilman muutoksia. Jos sinulla on pyyntöjä muuttaa, poistaa tai päivittää tutkimustietojasi, ota yhteyttä register@clinicaltrials.gov. Heti kun muutos on otettu käyttöön osoitteessa clinicaltrials.gov, se päivitetään automaattisesti myös verkkosivustollemme .